电力自动控制在低压配电系统中的应用

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【摘要】电力自动控制是利用计算机技术、自动化控制技术和现代通信技术，实现电力控制远程操作和智能化供电。通过自动化手段，开创了供电管理新模式，改善了供电的质量，提高了供电可靠性和工作效率。

【关键词】电力自动化；低压配电；计算机控制；人机界面

1.前言

电力自动控制采用网络化设计，面向对象的方法，分层、分布式监控结构；采用计算机软硬件、自动化控制、继电保护、人机工程和现场总线等通信技术，实现对低压配电系统三相回路连续的测量、监视、保护、控制和通信功能，具有远程操作、声音报警、报表统计和打印等功能。开创了供电管理的新模式，为供电机房远程智能化监控奠定了良好基础。与传统的供电模式相比较，系统的应用减少了大量的值班人员，减轻了劳动强度，提高了供电可靠性，改善了供电的质量，提高了工作效率。

2.综合自动化系统组成及各部分主要作用

2.1 系统组成

主要由工控机、数字式电力测控装置、多功能电力仪表、ABB-PR212通信模块、RS232转RS-485模块、DMC-NP有源总线集结器、SCADA-NT监控系统、有源音箱、报表打印机等组成。网络结构图如图1。

该系统为分层、分布式结构，测控装置、多功能电力仪表等均采用串口通信的方式接入自动化控制系统，通过RS485或DMCBUS总线连接组成自动化系统。

2.2 各部分的作用

2.2.1 工控机

综合自动化系统工控机主要完成的功能有：通过对信息的处理，完成在后台对现场数据的控制、测量和存盘保存；通过记录打印与画面显示，还可以对系统的运行情况进行分析；通过遥信可以随时发现与处理事故，减少事故停电时间；通过遥控可以合理调配负荷，实现优化运行。

2.2.2 数字式电力测控装置

DMC231数字式电力测控装置，实现对低压配电系统三相回路的电流、电压、功率、功率因数、频率、有功电度、无功电度等参数的连续测量、对各个开关量的监视、两级过负荷越限告警、对继电器出口的控制和应答式的通信功能，使整个配电系统的运行更加安全、可靠、经济、高效。其特点是：

（1）高精度测量和电力故障分析

采用精确的真有效值测量，特别适用于非线性负荷；具有完善的电力故障分析功能，包括电流电压不平衡率统计、最大最小值统计、2～31次谐波分析等，更能满足在电力节能、电力安全等方面的发展需求。

（2）更合理的通信网络构架

采用分层分布式的树形通信网络，特别适用于抽屉式开关柜；总线集线器和通信管理模块的应用，结合自带通信电源的现场总线，大大简化了网络拓扑结构，提高了通信质量；物理上采用RJ45连接和SPT5双绞线，方便安装，易于维护。

（3）完善的自检能力

支持两级过负荷越限告警。带保护或控制功能的装置具有专用的自检和告警出口继电器，可与站内中央信号系统或DCS系统连接，确保保护和控制装置的稳定有效运行。

（4）采用国际标准的IEC61850协议

IEC61850协议不但具有以太网固有的高带宽、易维护、兼容性好、技术成熟等技术优势，而且作为最有影响力的国际化标准协议，使DMC231更容易与中高压系统的保护和控制装置一起构成完整的数字化变配电系统。

（5）提供标准的外部系统连接接口

DMC231在自成一体化数字式配电系统的基础上，同时考虑了与外部系统（如DCS系统、BA系统、工业PLC等）的连接。连接方式包括通信连接（ETHERNET/MODBUS-TCP和RS485/MODBUS-RTU）和硬件连接（输出4～20mA标准直流信号和继电器接点信号）。

（6）高亮高清晰的图形LED显示屏

与液晶显示屏（LCD）相比，图形LED显示屏具有使用寿命长，常亮无须屏保，宽温度范围，无须调节对比度以适应环境温度变化，可视距离达十米，真正意义上代替指针式仪表。

（7）通用范围的工作电源输入

采用国际通用输入范围的开关电源模块（85～264VAC/DC），既可简单地从柜内电压回路取电，亦可设计专用直流电源以提高装置供电可靠性。

2.2.3 多功能电力仪表

多功能电力仪表具有可编程测量、显示、数字通讯和电能脉冲便送输出等功能，能够完成电量测量、电能计量、数据显示、采集及传输，满足配网自动化要求。可实现LED现场显示，提供串行异步半双工RS-485通讯接口，采用MODBUS-RTU通讯协议，各种数据信息均可在通讯线路上传送。其传输方式是每个字节的位：一个起始位、8个数据位（奇偶校验位）、1个停止位（有奇偶校验位时）或2个停止位（无奇偶校验位时）。

多功能电力仪表在电网中可测量的电力参数有相电压（Ua、Ub、Uc）、线电压（Uab、Ubc、Uca、）、电流（Ia、Ib、Ic）、总有功功率Pp、总无功功率Qp、总功率因数PFs、频率FR以及有功电能、无功电能。所有的测量参数都保存在仪表内部的电量信息表中，通过仪表的数字通讯接口可访问采集这些数据。可根据实际需要对仪表进行重新编程设置，使所在配电系统中需要的参数和仪表参数达到一致。

2.2.4 DMC-NP有源总线集结器

DMC-NP有源总线集结器是在DMC-N总线集结器的基础上增加了通信电源补给，主要应用于DMCBUS现场总线远距离传输的场合；或者DMCBUS现场总线直接与外部系统连接时，代替DMC-M通信管理模块给DMCBUS现场总线提供通信电源。

DMC-N总线集结器采用无源透明传输机制，主要应用于DMC系列产品的通信网络拓展，以“单元化”的方式对一个低压抽屉式开关柜内所有DMC系列产品实现网络连接，提高通信网络的灵活性、方便性和可靠性。

2.2.5 RS232转RS-485模块

串口通信是一种在计算机与计算机之间或计算机与外部设备传输数据常用方法，用来发送和接受数据。新配电室原有低压柜的大型ABB开关是以RS232方式通信的，由于低压柜与自动化监控中心之间的距离为20多米，传输距离较远，RS232通信方式不能满足远距离传输要求，需使用RS232转RS-485接口转换器，通过RS232串口与485总线系统进行数据交换。

2.2.6 MOXA多串口卡

多串口卡是一种可分配多个串/并行端口用来进行终端连接的设备，每个终端可以通过它与主机进行通讯。使用多用户卡是最便捷简单地解决扩展计算机外部设备数量的方案。它可使计算机方便扩展串口或并口，所以也称为串并口扩展卡。其特点是传输速率高，传输状态稳定可靠，满足电力行业对于稳定性、实时性、可靠性的要求。广泛应用于银行、金融、证券、电线、工控等领域，是计算机多用户通信控制系统重要的硬件组成部分。

新增低压柜的SCADA-NT集成化保护监控系统采用了MOXA公司的RS-485/422工业通信四串口卡。MOXA多串口卡具有光电隔离保护功能，用来向自动控制设备提供数据流，RS-485数据控制模式可选择，应用起来十分方便，实现高速通信，彻底消除通信瓶颈，使通信设备发挥其最大作用。

3.保护监控系统软件

采用主要基于Windows NT/Windows 98/Windows 2000的SCADA-NT集成化保护监控系统软件作为整个电力自动化系统的站级控制层。为了适应电力系统应用设备多、纵向横向联系紧密、扩建组建频繁等特点，SCADA-NT监控系统从分析、设计到具体编程，全部采用面向对象方法，融合了最新的计算机编程技术，在满足严格的可靠性、实时性要求基础上，更在系统的可组态性、可扩展性、可用性、可维护性等方面有新的突破。

3.1 SCADA-NT集成化保护监控系统系统组成

SCADA-NT集成化保护监控系统处在变电站综合自动化系统站级控制层，采用客户机/服务器体系结构，DataServer（数据服务器）是整个SCADA系统应用级的服务器，完成通信管理、实时数据采集、数据解析、通信转发等各种重要任务；HMI（人机接口软件）、SysEdit（系统组态软件）、PicEdit（图形组态软件）、CtlEdit（自动化控制组态软件）是SCADA系统应用级的客户机，完成人机界面和各种系统维护功能。这种结构设计使得SCADA-NT监控系统具有很强的扩展性，可以将它配置成从单节点到多个节点不同规模的网络系统，即在厂站级构成各工作站之间能共享信息和透明访问的高速局域网，在系统级构成不同地理跨度的广域网络和远程诊断、远程维护系统。

3.2 SCADA-NT的主要特点

（1）可扩展性：整个系统由精简化内核和扩展功能模块组成，各扩展功能模块可独立装入，灵活组合，特别适用于当今电力系统快速发展的需要。

（2）网络化设计：整个系统实现网络化设计，所有客户机和服务器之间既可在同一台计算机上连接，也可以通过局域网、远程网连接，使系统构造十分灵活。

（3）功能强大：支持遥测、遥信、遥控、遥调和SOE事件记录、保护定值整定、保护投退、设备参数配置、实时波形分析、故障录波分析等各种功能；可灵活设定模拟量、开关量、电度量、保护定值、保护投退等对象的各种参数，便于工程安装、调试，便于系统维护和升级。

（4）动态数据图元：提供能动态连接数据的可视化图元，可设计出具有生气和个性化的人机界面。

（5）提供画面漫游、缩放功能，画面间切换快捷流畅，运行人员能快速直观的获知电网运行工况。

（6）报表设计：提供快速报表设计功能，可设计出符合电力系统要求的统计报表。用户需要的数据信息，SCADA-NT系统均能以完整美观、图文并茂的报表方式提供。

（7）图纸设计与管理：提供电气工程图纸设计和管理功能，免去了繁杂的工程图纸管理工作和现场找图纸的困难。

（8）通信管理：提供通信状态监测、通信报文监测、通信异常报警等通信自检和管理功能，保证系统运行的稳定性。

（9）报警管理：声音报警、自动推出报警窗口和故障画面，及时通知运行人员发生的告警、故障事件。

（10）优化控制：实现变电站优化运行控制，如综合电压无压控制、过负荷控制、经济运行控制及联锁控制等，为变电站运行的智能化管理提供技术保障。

（11）数据库系统：高性能、高可靠性的免维护历史数据库系统，数据记录间隔可灵活设定。

（12）安全管理：系统提供完善的安全管理机制，所有与安全相关的操作由系统进行分项，针对不同的操作人员，系统管理员可授予给他不同的分项，有该分项授权的操作人员才可进行相关的操作。

（13）时钟同步功能：保证与SCADA-NT系统连接的自动化设备间时差小于5ms，为事故分析和故障诊断提供依据。

（14）兼容性：提供与国内外著名厂家自动化设备连接的通信模块和与上一级调度系统连接的CDT、Polling、DNP3.0等远程通信模块。

（15）开放性：提供开放的二次开发接口和技术文档。

3.3 SCADA-NT监控保护系统软件各部分的作用

（1）数据服务器软件

数据服务器软件是SCADA-NT系统的主执行程序，主要完成数据接收和通信转发功能，为其他软件提供实时和历史数据。在数据服务器软件中，可查看到设备的通信状态，监视设备的通信报文，各种实时运行信息和历史记录数据，完成对各种电力设备的通信数据管理，是实现“人与设备的有机结合”的基础。

可根据创建的通信口自动添加通信报文监视测，主要功能是监视通信数据的原始报文，为方便通信调试，报文窗口提供了16进制的“数据模式”和ASCII码的“字符模式”通信报文的互相转换功能，并可随时停止和继续。其中红色报文为下发数据，绿色报文为上传数据，监视窗口画面如图2。

（2）系统组态软件

系统组态软件是SCADA-NT是项目开始的第一步。在这里将完成通信口、单元的创建及配置，模拟量、开关量、电度、保护定值、SOE事件、操作等成员的运行参数设定和系统的管理设置，包括：时钟管理、事件管理、口令管理、数据库管理、负荷时段管理、值班员表、HMI菜单和HMI自动推画面等功能，采用可视化设计方法，鼠标拖拉操作风格，使原本复杂难懂的系统管理任务变得十分轻松自如。

（3）图片组态软件

图片组态软件是专用的人机界面设计工具，许多实时界面、统计报表及工程图纸的设计工作将在这里完成。本软件采用可视化的设计方法，兼容Windows的操作风格，对象化的图形元件设计，灵活的鼠标拖拉功能及各种有效的编辑方案，使应用该软件时轻松自如，效率极高。

3.4 人机界面

人机界面由图片组太软件设计，程序设计力求软件界面友好，使用方便、扩展性好；程序综合主界面由九个单独界面组成，分别为中心配电一次系统图、中心配电通信系统图、电流棒图、电压显示、负荷曲线、运行报表、ABB开关状态、联系我们、返回主界面九大部分。在综合主界面上用鼠标单击任一部分的图标时，就可弹出相应的内容。

例如：单击“中心配电一次系统图”图标，则出现中心配电一次接线图，在此图中可以监测到新增低压柜各个开关的运行状态和参数，可以对两个低压进线开关进行远程控制，操作开关的分闸、合闸。单击“电压显示”图标，则出现新增I段、Ⅱ段电压显示图，可以直观看到两路低压进线线电压是否正常。单击“运行报表”则出现图7运行报表目录主界面，在该界面中再单击查看想要的报表类型，无论在那个界面，只需单击“返回主界面”就可返回上一层主界面。操作简单方便，一目了然。

4.结束语

该保护监控系统自投入使运以来设备运行一直非常稳定，保护动作反映准确可靠，同时技术管理上也实现了计算机自动化管理，易于操作、维护，系统稳定，可靠性高，确保了安全供电。所以综自保护系统是今后电力系统二次保护和技术管理方面的发展方向，随着对供电越来越重视，可以预见自动化保护监控系统不仅会在10KV及以上系统中得到普及，同时也会在低压方面得到很好的发展。